金屬材料焊接工藝 第3版 教案 24 低合金鋼與奧氏體不銹鋼的焊接

授課教案首頁學(xué)年第學(xué)期機(jī)械工程學(xué)院材料技術(shù)系（部）焊接技術(shù)及自動化教研室課程名稱金屬材料焊接工藝任課教師授課形式理論教學(xué)√課內(nèi)實踐□理實一體□習(xí)題復(fù)習(xí)□考核評價□其他活動□課時安排2課時序號24授課日期月日月日月日月日授課班級教學(xué)內(nèi)容：4、低合金鋼與奧氏體不銹鋼的焊接教學(xué)目標(biāo)：知識目標(biāo)：1、了解低合金鋼與奧氏體不銹鋼的焊接性能力目標(biāo)：1、熟悉低合金鋼與奧氏體不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)2、掌握復(fù)合鋼板的焊接特點(diǎn)素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生良好的操作習(xí)慣2、具有與人溝通、與人合作的社會交往能力重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法：舉例說明珠光體鋼與奧氏體不銹鋼的焊接工藝。授課地點(diǎn)：教室教學(xué)媒體：投影儀設(shè)備及材料：其它資源：學(xué)習(xí)效果評價方式：課堂提問及作業(yè)作業(yè)和思考題：1Cr18Ni9鋼與Q235鋼焊接時存在哪些問題？如何解決？課后小結(jié)：填表說明：1.序號，指該課程授課的順序號，應(yīng)與授課計劃一致；2.授課形式在相應(yīng)的選項打“√”。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段一、教學(xué)組織1．引入10分鐘2．講解50分鐘3．提問15分鐘4.小結(jié)15分鐘二、教學(xué)內(nèi)容能力知識點(diǎn)1珠光體鋼與奧氏體不銹鋼的焊接性當(dāng)兩種成分、組織性能不同的金屬通過焊接而形成連續(xù)的焊接接頭時，接頭部位實質(zhì)上是成分與組織變化的過渡區(qū)，集中了各種矛盾，具體表現(xiàn)如下：1．焊縫金屬化學(xué)成分的稀釋珠光體鋼與奧氏體不銹鋼焊接時，焊縫金屬平均成分是由兩種不同類型的母材和填充金屬混合所組成。由于珠光體鋼中不含或只有少量的合金元素，如珠光體鋼溶入焊縫金屬的比例增大，則會沖淡焊縫金屬的合金濃度，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分和組織狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為母材金屬對焊縫金屬的稀釋作用。在Q235鋼與1Cr18Ni9鋼的焊縫金屬中，如果由于母材對焊縫金屬的過分稀釋，可使焊縫中奧氏體形成元素不足，結(jié)果在焊縫中出現(xiàn)馬氏體組織，使焊接接頭的脆性增大，導(dǎo)致焊接接頭形成裂紋。通過圖5-7舍夫勒組織圖，來分析討論用不同奧氏體不銹鋼填充材料，焊接Q235鋼與不同奧氏體不銹鋼的焊縫金屬的金相組織以及熔合比變化所帶來的影響。首先將鋼的合金元素含量折算成鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量，再在圖5-7中找出相應(yīng)的點(diǎn)，即可知該焊縫的正常冷卻組織中的相組成。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段2．凝固過渡層的形成在焊縫金屬熔池邊緣，金屬在液態(tài)持續(xù)時間最短，溫度也較熔池中部低，液體金屬流動性較差，最先結(jié)晶形成固態(tài)。由于珠光體鋼與奧氏體不銹鋼化學(xué)成分相差懸殊，在珠光體鋼一側(cè)熔池邊緣，熔化的母材金屬和填充金屬不能充分地混合，在此側(cè)的焊縫金屬中珠光體鋼所占比例較大，且越靠近熔合線稀釋程度就越大；而在焊縫金屬熔池的中心，其稀釋程度就小。在珠光體鋼與奧氏體不銹鋼焊接時，在珠光體鋼一側(cè)熔合線的焊縫金屬存在一個成分梯度很大的過渡層，寬約為0.2～0.6mm。這種成分上的過渡變化區(qū)是因熔池凝固特性而造成的，故稱為凝固過渡層，實際上是高硬度的馬氏體脆性層。凝固過渡層的大小與母材厚度、焊接參數(shù)和材料有關(guān)。凝固過渡層還與填充金屬的成分有關(guān)，當(dāng)過渡層中鎳含量低于5％～6％時，將產(chǎn)生馬氏體組織如圖5-8所示。從圖5-8可以看出，脆性層寬度B與焊縫中鎳含量成反比。當(dāng)填充金屬選用1Cr18Ni9時，脆性層寬度為B1，是比較大的；當(dāng)采用Cr15Ni25Mo6填充金屬時，此脆性層寬度縮小到B3。采用高鎳的填充金屬，提高焊縫金屬中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以使脆化層的寬度明顯降低。3．碳遷移過渡層的形成碳從珠光體母材通過熔合區(qū)向焊縫擴(kuò)散，從而在靠近熔合區(qū)的珠光體母材上形成了一個軟化的脫碳層，而在奧氏體不銹鋼焊縫中形成了硬度較高的增碳層。過渡層的形成，造成脫碳層與增碳層硬度的明顯差別。在長時間高溫下工作時，由于對變形阻力的不同，將產(chǎn)生應(yīng)力集中，使接頭的高溫持久強(qiáng)度和塑性下降，可能導(dǎo)致沿熔合區(qū)斷裂。碳的遷移是形成過渡層的主要原因。碳的擴(kuò)散取決于本身擴(kuò)散能力，還與接頭的成分、組織和狀態(tài)有關(guān)。具體條件如下：1）焊接過程中熔合區(qū)兩側(cè)分別為固體和液體，此時碳將由溶解度較低的母材向溶解度較大的熔池過渡。2）焊縫凝固后熔合區(qū)兩側(cè)分別為奧氏體相和鐵素體相，碳將由溶解度低而擴(kuò)散系數(shù)高的鐵素體相的母材向溶解度高的奧氏體相焊縫中擴(kuò)散。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段3）焊縫與母材中碳化物形成元素的種類與數(shù)量不同，在珠光體母材與奧氏體焊縫熔合時，焊縫中有較多的比鐵更強(qiáng)的碳化物形成元素，促使熔合區(qū)附近母材中的滲碳體分解，析出的碳原子越過熔合區(qū)擴(kuò)散到焊縫中，并在熔合區(qū)附近形成穩(wěn)定的碳化物。碳化物形成元素的差別是珠光體鋼與奧氏體不銹鋼焊接時形成碳遷移過渡層的主要原因。4．殘余應(yīng)力的形成異種鋼焊接接頭，由于兩種鋼的線膨脹系數(shù)相差很大，不僅焊接時會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而且在交變溫度下工作，必然會產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，從而有可能發(fā)生疲勞破壞。異種鋼接頭中的焊接殘余應(yīng)力，即使通過焊后熱處理也難以消除，只是焊接殘余應(yīng)力重新分布。如圖5-13所示為異種鋼接頭熔合區(qū)附近的焊接殘余應(yīng)力特征，在焊態(tài)時，奧氏體焊縫承受拉應(yīng)力，珠光體母材承受壓應(yīng)力；焊后熱處理，并未消除殘余應(yīng)力，而只是使焊接殘余應(yīng)力重新分布。能力知識點(diǎn)2珠光體鋼與奧氏體不銹鋼的焊接工藝特點(diǎn)1.焊接方法選用熔合比小、稀釋率低的焊接方法。如焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊都比較合適。2.焊接材料2.焊接材料必須考慮接頭的使用要求、稀釋作用、碳的遷移、殘余應(yīng)力及抗裂性等問題。珠光體鋼與奧氏體不銹鋼焊接時常用焊接材料見表5-14。3.焊接工藝要點(diǎn)1）盡量選用小直徑的焊條和焊絲，并選用小電流、大電壓和高焊速進(jìn)行焊接，以減小熔合比。2）如果珠光體鋼有淬硬傾向，應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱，其預(yù)熱溫度應(yīng)比珠光體鋼同種材料焊接時略低一些。3）堆焊過渡層對于較厚的焊件，為了防止因應(yīng)力過高而在熔合區(qū)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，可以在珠光體鋼的坡口表面堆焊過渡層，如圖5-14所示。過渡層中應(yīng)含有較多的強(qiáng)碳化物形成元素，具有較小的淬硬傾向，也可用高鎳奧氏體不銹鋼焊條堆焊過渡層。過渡層厚度一般為6～9㎜。4）珠光體鋼與奧氏體不銹鋼的焊接接頭，焊后一般不進(jìn)行熱處理。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段能力知識點(diǎn)3復(fù)合鋼板的焊接特點(diǎn)復(fù)合鋼板是由兩種材料復(fù)合軋制而成的雙金屬板。它是由覆層（不銹鋼）和基層（碳鋼或低合金鋼）組成。接觸腐蝕介質(zhì)或高溫的一面由不銹鋼板承擔(dān)，而結(jié)構(gòu)所需強(qiáng)度和剛度則由碳鋼或低合金鋼板承擔(dān)。廣泛用于石油、化工、制藥、制堿和航海等要求防腐和耐高溫的容器和管道等。其中以低合金鋼與奧氏體不銹鋼合成的不銹復(fù)合鋼板應(yīng)用最為廣泛。不銹復(fù)合鋼板由于化學(xué)成分和物理性能差異很大，其焊接性也存在重大差異，因而不能采用單一的焊接材料和焊接工藝進(jìn)行焊接，而應(yīng)將覆層和基層區(qū)別對待。1.焊接方法可以采用焊條電弧焊、埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊及惰性氣體保護(hù)焊等方法。但覆蓋層常用焊條電弧焊。2.焊接材料焊縫由過渡層、基層和覆層三部分組成，各自的焊接材料選擇如下：1）過渡層焊接材料必須選用其鉻、鎳含量高于覆層中含量的不銹鋼焊接材料。2）基層焊接材料選用與基層材料單獨(dú)焊接時相同的焊接材料，并以同樣的焊接工藝焊接。3）覆層焊接材料原則上與單獨(dú)焊接不銹鋼時的焊接材料相同，焊接工藝也相同。3、焊接坡口常用的焊條電弧焊對接接頭的坡口形式見表5-15（教材P119）。4、焊接順序不銹復(fù)合鋼板對接焊縫順序如圖5-15所示。不銹復(fù)合鋼板的搭接接頭和角接接頭形式如圖5-16和圖5-17所示。在待焊區(qū)中碳鋼和不銹鋼共存部位，要選用過渡層的焊接材料。待焊處出現(xiàn)都是碳鋼時，可以按基層所選用的焊接材料進(jìn)行施焊；同樣，待焊區(qū)都是不銹鋼材料時，選用覆層的焊接材料，但是考慮到焊接熔池的深度，可能將基層熔化，此時，第一層焊縫仍要選用過渡層的焊接材料。填表說明：1.本頁可續(xù)頁；2.教學(xué)方法如：項目教學(xué)、案例分析、分組討論、角色扮演、啟發(fā)引導(dǎo)等；3.教學(xué)手段如：課件演示、模型講解、實物講解、掛圖講解、視頻講解、網(wǎng)絡(luò)課程等。授課教案教學(xué)內(nèi)容及過程時間分配方法及手段5.不銹復(fù)合鋼板焊接時應(yīng)注意的問題：1）下料最好采用等離子弧切割等離子切割的割縫質(zhì)量比氧乙炔火焰切割質(zhì)量高，切口光滑，熱影響區(qū)小；2）裝配應(yīng)以覆層為基準(zhǔn)，防止錯邊過大而影響覆層質(zhì)量，定位焊縫盡可能地放在基層面；3）焊前對坡口兩側(cè)20～40mm范圍內(nèi)進(jìn)行清理；4）焊接過渡層時應(yīng)選用盡可能小的焊接電流。能力知識點(diǎn)4焊接工程實例0Cr18Ni10Ti+Q345異種鋼焊接工程實例瀝青溶液換熱器中有一道法蘭材質(zhì)為Q345鋼的鍛件，與壁厚為26mm的0Cr18Ni10Ti鋼筒體焊接的工序，為異種鋼的焊接。1）焊接方案的制定在鍛件內(nèi)側(cè)與待焊坡口處堆焊過渡層，然后與筒節(jié)成為同質(zhì)材料的焊接，焊接接頭形式與坡口尺寸如圖5-18所示。2）焊接方法鍛件內(nèi)側(cè)用焊條電弧焊施焊；鍛件與筒體焊接采用焊條電弧焊打底，再用埋弧焊施焊。3）內(nèi)側(cè)過渡層堆焊法蘭盤內(nèi)側(cè)堆焊過渡層并延伸至坡口內(nèi)側(cè)。堆焊前采用丙酮清理坡口內(nèi)側(cè)的油污等污染物，并用氧乙炔火焰進(jìn)行烘烤，以防止堆焊時產(chǎn)生裂紋和氣孔。堆焊時采用小電流、多層多道焊，焊條選擇及焊接參數(shù)見表5-16。4）要嚴(yán)格控制焊接熱輸入，特別是用小的焊接電流和快的焊接速度來將熔合比控制在最小值。裝配時，要求對接接頭處不留任何間隙，最大